黃金虎，盧 剛，王 俊

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0 引 言

越障小車是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，綜合了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)控制、車輛工程等諸多學(xué)科的研究成果。它能夠在極端惡劣的環(huán)境下工作，完成人類無(wú)法進(jìn)行的任務(wù)，在航天探索、軍事、反恐防爆、抗震救災(zāi)、核能等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1－3］。本文設(shè)計(jì)的小車的越障功能是通過(guò)在四個(gè)驅(qū)動(dòng)軸上安裝擺臂輪腿實(shí)現(xiàn)的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 越障小車的結(jié)構(gòu)

當(dāng)小車在平坦路面行駛時(shí)，輪腿上擺，四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪著地驅(qū)動(dòng)其運(yùn)行。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪腿使驅(qū)動(dòng)輪抬起實(shí)現(xiàn)越障功能，如圖2(a)所示。小車可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩側(cè)輪腿使其形成一定角度差，從而實(shí)現(xiàn)在斜坡上橫向平穩(wěn)運(yùn)行，如圖2(b)所示。

圖2 輪腿組合式運(yùn)動(dòng)示意圖

1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

小車的4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和4個(gè)輪腿全部使用獨(dú)立的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從而確保了被控對(duì)象具有很大的控制自由度和很強(qiáng)的適應(yīng)性和機(jī)動(dòng)性。設(shè)計(jì)了超聲波收發(fā)電路，以獲取障礙物的距離和位置信息，在車體每組輪腿附近不同高度處分別安裝了兩個(gè)超聲波傳感器，采用這種不同高度位置的一對(duì)超聲波傳感器不但可以獲取障礙物距離和位置信息，而且可以計(jì)算出障礙物的高度和坡度信息，從而能夠判斷小車能否越過(guò)障礙物，如果障礙物尺寸過(guò)大，可采用繞行方式前進(jìn)。為了使小車的運(yùn)行更加準(zhǔn)確可靠，對(duì)其速度和位置采用了閉環(huán)控制。

控制系統(tǒng)采用了多處理器分布式控制方式。采用這種上下位機(jī)分布式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。上位機(jī)負(fù)責(zé)接收控制終端發(fā)來(lái)的指令信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)處理然后將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給各下位機(jī)以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)單元。同時(shí)上位機(jī)還要監(jiān)視小車的各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)并及時(shí)發(fā)送到控制終端;下位機(jī)由多個(gè)微控制器構(gòu)成，每個(gè)微控制器負(fù)責(zé)控制一個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)或超聲波傳感器數(shù)據(jù)。

圖3 輪腿控制系統(tǒng)

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文使用了高效、控制性能優(yōu)越的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為各運(yùn)動(dòng)單元的伺服電動(dòng)機(jī)，從而進(jìn)一步提高了小車的驅(qū)動(dòng)效果。各個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)獨(dú)立的伺服單元控制器控制運(yùn)行。經(jīng)綜合比較，選用了微芯公司的高性能數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30f4012作為各伺服單元控制器及主控制器的控制芯片，該處理器采用了改進(jìn)的哈佛架構(gòu)，CPU內(nèi)核集成了DSP引擎，具有豐富的外圍接口設(shè)備模塊和快速的中斷處理能力，速度高達(dá)30MIPS［4］，完全滿足本設(shè)計(jì)要求。功率驅(qū)動(dòng)部分選用了六輸出IR2130驅(qū)動(dòng)芯片，IR2130是IR公司推出的高壓集成驅(qū)動(dòng)器，有六路輸入輸出信號(hào)且只需要一路控制電源［5］。由于選用的伺服電機(jī)是三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，功率驅(qū)動(dòng)電路采用三相橋式電路，這樣每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元的伺服控制器只需要一片驅(qū)動(dòng)芯片，從而硬件結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，系統(tǒng)的整體可靠性得到進(jìn)一步提升。

通過(guò)軟件編程使控制器輸出一定頻率的方波信號(hào)提供給超聲波換能器，使用了74LS04對(duì)其進(jìn)行功率放大以擴(kuò)大測(cè)距范圍。選用集成芯片CX20106設(shè)計(jì)了具有較高增益和信噪比的超聲波接收電路，能夠有效地接收并識(shí)別超聲回波。CX20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收專用芯片，具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

控制終端和車載主控制器之間使用串口UART通訊，主控制器和運(yùn)動(dòng)單元控制器之間通過(guò)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的 CAN總線通訊。選用了PAC82C250收發(fā)器作為CAN控制器和CAN總線之間的接口，提高了對(duì)總線的差動(dòng)收發(fā)能力。根據(jù)使用的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的規(guī)格，選用了 ST公司的MOSFET STP80NF10作為功率開(kāi)關(guān)管，設(shè)計(jì)了三相橋式逆變器，并且設(shè)計(jì)了靜電吸收電路和RCD緩沖電路對(duì)功率開(kāi)關(guān)管進(jìn)行保護(hù)。控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖4所示。

圖4 硬件設(shè)計(jì)總體框圖

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

車載主控制器的任務(wù)是從串口接收控制終端的命令，然后通過(guò)CAN總線發(fā)送給各個(gè)運(yùn)動(dòng)單元控制器。其軟件部分由主程序和CAN中斷服務(wù)程序組成。主程序中首先配置了處理器的相關(guān)寄存器，并對(duì)相關(guān)模塊進(jìn)行了初始化，然后等待傳遞控制終端的命令和下位機(jī)發(fā)來(lái)的位置、速度等參數(shù)，主控制器程序流程圖如圖5所示。

圖5 主控制器程序流程圖

各個(gè)運(yùn)動(dòng)單元控制器接收主控制器的運(yùn)動(dòng)指令并調(diào)制PWM脈寬從而控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。如圖6所示，主函數(shù)中首先配置端口輸入輸出方向，初始化全局變量，調(diào)用各模塊初始化函數(shù)，并使能模塊，然后進(jìn)入死循環(huán)。死循環(huán)中不斷檢測(cè)是否需要解包數(shù)據(jù)，清看門狗，并點(diǎn)亮LED指示工作狀態(tài)。

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制和換相工作是在PWM中斷程序中完成的。當(dāng)PWM中斷被觸發(fā)時(shí)，根據(jù)本次和上次HALL信號(hào)值，控制各路PWM輸出的開(kāi)關(guān)狀態(tài);根據(jù)目標(biāo)值和反饋值之間的誤差，調(diào)用PID計(jì)算子函數(shù)計(jì)算控制輸出，進(jìn)行占空比限幅，更新正在工作的兩路PWM占空比寄存器。程序流程圖如圖7所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)輪控制器主程序流程圖

圖7 中斷程序

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)測(cè)試。為了防止產(chǎn)生人耳可聽(tīng)見(jiàn)的噪聲，功率器件斬波頻率設(shè)計(jì)在20 kHz，時(shí)基計(jì)數(shù)為向上向下模式。電機(jī)的PWM采用互補(bǔ)輸出模式，為防止逆變器中同一橋臂的兩個(gè)功率MOSFET同時(shí)導(dǎo)通造成短路的情況發(fā)生，需要在其間插入一個(gè)死區(qū)時(shí)間，確保開(kāi)關(guān)安全，如圖8所示，驅(qū)動(dòng)信號(hào)死區(qū)時(shí)間設(shè)置為2.5 ns。

圖8 PWM1H、PWM1L的輸出波形

(2)輪式運(yùn)動(dòng)測(cè)試。本文使用正弦信號(hào)指令進(jìn)行對(duì)越障小車驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)測(cè)試，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)空載時(shí)，其速度閉環(huán)曲線如圖9所示。在低速運(yùn)行，速度變化率很大，速度閉環(huán)誤差也比較大，在電機(jī)轉(zhuǎn)速比較高時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，速度閉環(huán)效果比較好。

圖9 驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)曲線(速度閉環(huán))

(3)擺腿運(yùn)動(dòng)測(cè)試。本文通過(guò)爬越臺(tái)階試驗(yàn)對(duì)小車的越障功能進(jìn)行驗(yàn)證。如圖10所示，當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)到障礙物離驅(qū)動(dòng)輪足夠近時(shí)，對(duì)應(yīng)的擺腿旋轉(zhuǎn)一定角度，接觸到臺(tái)階，支撐車體，使小車前半部分抬高，前兩驅(qū)動(dòng)輪懸空后，四個(gè)助動(dòng)輪及后兩驅(qū)動(dòng)輪與地面接觸，后兩驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)小車?yán)^續(xù)運(yùn)動(dòng)，小車前部跨上臺(tái)階。后輪爬越過(guò)程與前輪類似。試驗(yàn)證明小車越障能力。

圖10 小車爬越臺(tái)階

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30f4012作為主從控制器設(shè)計(jì)的具有越障功能的小車，通過(guò)一個(gè)主控制器協(xié)調(diào)各伺服控制器輸出相應(yīng)脈寬的PWM波形控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)各相繞組電流，從而達(dá)到控制小車正常運(yùn)行的目的。同時(shí)采用的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)增加了小車的運(yùn)動(dòng)的靈活機(jī)動(dòng)性。控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)時(shí)可靠性高，經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)特性良好，且具有較高的實(shí)用價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。

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